2cm雙端平衡檢波器設(shè)計

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心　郭曉河　毛福新　張洪彬

2cm雙端平衡檢波器設(shè)計

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心郭曉河毛福新張洪彬

設(shè)計一種2mm雙端平衡檢波器。檢波器中采用了雙端平衡結(jié)構(gòu)，增加了帶寬，提高了檢波器的穩(wěn)定性。通過軟件仿真和實驗數(shù)據(jù)分析，這種檢波器的帶寬為2GHz（14.5～16.5GHz），在頻帶內(nèi)檢波靈敏度大于200mv/mW，起伏度小于1dB，電壓駐波比小于2.5。這種檢波器可以應(yīng)用于2mm雷達接收系統(tǒng)的信號檢測和穩(wěn)幅器中。

平衡檢波器；檢波靈敏度；信號檢測

引言

檢波器是微波系統(tǒng)中經(jīng)常用到的器件之一，是微波信號檢測和穩(wěn)幅器的關(guān)鍵部件，在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀和雷達接收機系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，簡單化、小型化和集成化成為一種趨勢。

國外在微波領(lǐng)域發(fā)展迅速。2007年H.P.Moyer，J.J.Lynch等人研究設(shè)計了第一個基于Sb異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)反向二極管的MMIC［1］，在21GHz噪聲當(dāng)量帶寬范圍內(nèi)，器件的靈敏度高達10000mv/μW；2008年L.A.Tejedor等人設(shè)計了從幾十兆赫茲到40GHz的超寬帶微帶檢波器［2］，平坦度較好且駐波比小。相比較之下，由于受到檢波管等元件的限制，國內(nèi)對檢波器的設(shè)計和研究不多，主要的設(shè)計還是利用波導(dǎo)等機械機構(gòu)或者單端檢波器。1995年，姚喜梅設(shè)計了寬帶平衡檢波器［3］，在8～16GHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比小于2；2007年，李惠芳、馬楠設(shè)計了微波平衡檢波器［4］，在8～12GHz的頻帶內(nèi)檢波靈敏度、帶內(nèi)起伏度和電壓駐波比的指標(biāo)完成比較好。

本文設(shè)計了一種2cm微波平衡檢波器，在14.5～16.5GHz的頻帶內(nèi)檢波靈敏度大于200mv/mW，帶內(nèi)起伏度小于1dB，電壓駐波比小于2.5，可以用于對2cm雷達接收機接收信號的檢測及穩(wěn)幅器件中。

1　工作原理

微波檢波器將檢測到的微波信號轉(zhuǎn)化成直流信號，采用非線性元件實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)化，其關(guān)鍵在非線性元件的選擇，目前可用的非線性元件有場效應(yīng)管、晶體管、變?nèi)荻O管、肖特基勢壘二極管等。

1.1檢波器原理

典型單管檢波器是由檢波管、匹配電路、電感L和電容C組成。電感L可以看作對微波信號的開路，使信號全部加載到檢波管上。電容C可以看作對微波信號的短路，對高頻信號進行濾除，只有直流分量輸出。

1.2非線性元件的選擇

采用場效應(yīng)管或者晶體管作為非線性元件可以獲得變頻增益，同時具有伏安特性曲線為平方律和抗鏡頻能力強等優(yōu)點。但其缺點是需要直流偏置，電路相對復(fù)雜，設(shè)計理論也比較復(fù)雜。采用二極管作為非線性元件有著電路簡單、工作穩(wěn)定、便于集成等優(yōu)點。與其他二極管相比，肖特基勢壘二極管具有較強的非線性，可靠性好，靈敏度高和一致性好的優(yōu)點，非常適合我們的平衡檢波器的設(shè)計。

1.3肖特基勢壘二極管

理想二極管的等效電路模型是由受到外加電壓影響的非線性元件結(jié)電容Cj和結(jié)電導(dǎo)Gj并聯(lián)組成［5］。由于受到制作工藝和封裝的影響，等效電路模型還應(yīng)該加上不受外加電壓影響的線性元件串聯(lián)電阻RS、引線電感LS以及封裝電容Cp。

肖特基勢壘二極管通過結(jié)的擴散電流為：

檢波器靈敏度：βi=id/PS，id是檢波器輸出端短路時的輸出電流，PS是加在檢波管上的微波信號功率。在微波小信號下，輸入電壓為VS，由于受到串聯(lián)電阻RS分壓和結(jié)電容Cj的分流作用，結(jié)電壓為：

Io是射頻源Vi=0時的二極管輸出電流，定義此時二極管的工作點為（Io，Vi）。在二極管的工作點附近將式（1）展開成id對Vj的泰勒級數(shù)，交流分量通過后面的電容已經(jīng)濾除，檢波管整流出來的短路直流為：

dS率，這就是平方律檢波。經(jīng)推導(dǎo)，檢波管吸收的微波信號功率為：

式（3）和式（4）得到電流檢波靈敏度為：

式（5）可以得到，非線性指數(shù)α越大，串聯(lián)電阻RS越小，電流檢波靈敏度βi越高。由此可以得到檢波器開路電壓靈敏度：

VL是加載負(fù)載電阻上的直流電壓。

2　設(shè)計過程及仿真結(jié)果

微波平衡檢波器由3dB寬帶分支定向耦合器，匹配網(wǎng)絡(luò)，肖特基勢壘二極管和低通濾波器組成。

2.13dB寬帶分支定向耦合器設(shè)計

電橋、定向耦合器和分功器可以使微波波段的功率平均分到兩只檢波管上［6］。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，這類元件往往需要做成立體電路結(jié)構(gòu)，而使用微帶線則可以使其平面化，結(jié)構(gòu)變得簡單易于加工。相對于環(huán)形電橋結(jié)構(gòu)，分支定向耦合器更加簡單，所以此次設(shè)計采用了分支定向耦合器結(jié)構(gòu)。

由兩條平衡傳輸線和一些耦合作用的分支線組成了分支定向耦合器，其在中心頻率上的分支線長度和間隔全部為四分之一波長［6］。通過調(diào)節(jié)主線和分支線的阻抗可以改進電路參數(shù)。

此次設(shè)計，相對帶寬，用三分支切比雪夫定向耦合器，選取板材材質(zhì)是聚四氟乙烯板，其參數(shù)為：Er=2.55，ur=1，板材厚度H=0.8mm，覆銅厚度T=0.018mm，正切損耗角tanD=0.001，查表得到各部分阻抗，并且將查表得到的參數(shù)帶入仿真工具ADS2008進行優(yōu)化。最終尺寸見表1。

3dB分支定向耦合器S參數(shù)版圖仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1中可以看到，在14GHz-17GHz內(nèi)反射系數(shù)dB（S（1，1））、定向性dB（S（4，1）和隔離度dB（S（2，3））小于-17dB，輸出端口-3.1dB

表1　3dB寬帶分支定向耦合器各部分參數(shù)

圖1　3dB分支定向耦合器S參數(shù)

2.2分支定向耦合器和檢波管參數(shù)匹配設(shè)計

阻抗匹配的一般方法有λ0/4阻抗變換器和支節(jié)匹配器兩種［7］。λ0/4阻抗變換器設(shè)計簡單，但只適用于終端負(fù)載為純電阻或者在電壓波腹、波節(jié)接入的情況。由于檢波管的歸一化特性阻抗不為純電阻，且檢波器有一定帶寬，在中心頻率處找波腹或者波節(jié)會造成邊緣頻率有很大的反射，所以此次設(shè)計采用支節(jié)匹配器進行匹配。

2.3低通濾波器設(shè)計

檢波器的作用就是將輸入的微波信號轉(zhuǎn)化成直流信號，在輸出前應(yīng)該將射頻信號濾除。低通濾波器是由高頻短路塊及高阻抗的中頻輸出線組成。高頻電路塊經(jīng)常會采用一段低阻抗、長度為λ0/4開路線來實現(xiàn)。扇形短截面比λ0/4短路線的頻帶要寬很多，非常適合寬帶設(shè)計和制作。短截面半徑r=3mm，θ=90°。為了使微波信號不會泄露，中頻輸出線采用工藝上能夠?qū)崿F(xiàn)的細(xì)線，W=0.1mm，其特性阻抗大于100Ω。

圖2　微波平衡檢波器版圖

圖3　微波平衡檢波器實物圖

3　測試結(jié)果及分析

3.1技術(shù)指標(biāo)

電壓靈敏度：βv≥200mv/mW；帶內(nèi)起伏度：≤1dB；電壓駐波比：VSWR<2.5

3.2測試結(jié)果及分析

本次設(shè)計中檢波管采用了南京固體器件廠的WJ-3022B檢波二極管。根據(jù)仿真結(jié)果得到如圖2所示的版圖，將圖2中版圖通過光刻電鍍等工藝制成微波平衡檢波器，焊接完成裝入屏蔽盒內(nèi)調(diào)試，實物如圖3所示。

由標(biāo)量網(wǎng)路分析儀hp HEWLETT 8757D測得檢波器的電壓駐波比如圖4所示。在輸入功率為-10dBm時，掃頻源hp 8350B和雙蹤示波器測試輸出電壓如圖5所示。

圖4　微波平衡檢波器電壓駐波比

圖5　微波平衡檢波器輸出電壓

微波小信號由1端口輸入，通過3dB分支定向耦合器平均分配到2端口和3端口，由于切比雪夫型耦合器在頻帶內(nèi)存在一定的紋波和受到加工精度因素影響，輸出端口也存在一定的起伏。在2端口和3端口的檢波管是選擇的是最大傳輸，對輸入信號會產(chǎn)生一定的反射，在1端口我們可以加上鐵氧隔離器以消除對前級的影響，而在4端口，我們可以在圖3的R1位置加上50Ω吸收負(fù)載來消除影響。由圖4可以看到，帶內(nèi)最大駐波比小于2.5，由于設(shè)計時中心頻率偏低，造成電壓駐波比在高頻段偏大，可以在輸入端口加鐵氧隔離器，以消除對前級的影響，在以后的設(shè)計及制作中加以改進。由圖5可以看到輸出電壓隨著輸出并聯(lián)負(fù)載R2的增大而變大，在輸入-10dBm時均大于30mV，帶內(nèi)起伏度小于1dB，可以根據(jù)使用電壓情況選擇輸出并聯(lián)負(fù)載。

4　結(jié)束語

從以上測試結(jié)果看，檢波器的各項指標(biāo)在14.5～16.5GHz帶寬內(nèi)已達到設(shè)計要求，可以應(yīng)用于2mm雷達收發(fā)系統(tǒng)的微波信號幅度測量及穩(wěn)幅器件中。

［1］Moyer H P，Lynch J J，Schulman J N，et al.A low noise chipset for passive millimeter wave imaging［C］.IEEE/MTT-S International Conference on Microwave Symposium，2007：1363-1366.

［2］L.A.Tejedor，Indra Sist，D.A.Torrejon，J.I.Alonso，Gonzalez-Martin，J.Chen.An ultra-broadband micro-strip Ddetector up to 40 GHz［C］. COMITE 14th Conference on Microwave Techniques，2008：1-4.

［3］姚喜梅.寬帶平衡檢波器［J］.船舶電子對抗，1995，10（4）：17-19.

［4］李惠芳，馬楠.微波平衡檢波器的設(shè)計與制作［J］.火控雷達技術(shù)，2007，6（36）：107-110.

［5］王家禮，郝延紅，孫璐.微波有源電路理論分析及設(shè)計［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012，4.

［6］清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微波電路［M］.北京：人民郵電出版社，1976，9.

［7］盛振華.電磁場微波技術(shù)與天線［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995，12.

［8］徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009，9.

Design of the dual port balance detector of 2cm

GUO Xiao-he，MAO Fu-xin，ZHANG Hong-bin
（Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

This paper designs a dual port balance detector of 2cm.For increasing bandwidth and improving the stability of the detector，we use a dual port balance structure.Through simulation and analysis of experimental data，the bandwidth of the detector is 2GHz from 14.5GHz to 16.5GHz，and the detection sensitivity is more than 200mv/mW.The waviness is less than 1dB，and VSWR is less than 2.5.The detector is used in signal detection of 2cm radar receiving system and leveled device.

balance detector;detection sensitivity;signal detection

郭曉河（1965—），男，大學(xué)本科，高級實驗師，研究方向：通信系統(tǒng)。